DE3436829C2

DE3436829C2 -

Info

Publication number: DE3436829C2
Application number: DE3436829A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. 8000 Muenchen De Bohn; Guenter 8421 Train De Steinmetz; Ulf 8011 Putzbrunn De Steenbeck
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1984-10-06
Filing date: 1984-10-06
Publication date: 1989-02-23
Also published as: EP0199749A1; EP0199749B1; AU4952085A; AU585276B2; US4796724A; WO1986002169A1; DE3436829A1; BR8506971A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von seismischen Wellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Vorrichtung ist aus der US-PS 30 61 037 bekannt.

Zu seismologischen Untersuchungen des Erdreiches ist es erforderlich, Druckwellen zu erzeugen, deren Fortpflanzungsparameter Aufschluß über die Struktur des Untergrundes geben. Üblich ist es hierzu, Löcher in das Erdreich zu bohren und mit einer Sprengladung den Impuls auszulösen oder auch durch senkrecht auf die Erdoberfläche einwirkende Kräfte ent sprechende Wellen zu erzeugen.

Ferner ist es z. B. aus der obengenannten US-PS 30 61 037 bekannt, mittels eines in das Bohrloch eingeführten Elektromotors seismische Impulse an die Bohrlochwandung abzugeben. Aus der US-PS 35 93 255 ist ferner ein piezoelektrischer Impulserzeuger bekannt. Schließlich ist aus der US-PS 42 07 961 eine Anordnung bekannt, bei der sich eine Spule quer zur Bohrlochachse bewegt und einen Impuls an eine Wand abgibt. Eine aus einer Bohrlochsonde asymmetrisch ausfahrbare elektromagnetische arbeiten de Impulserzeugungsvorrichtung ist aus DE-OS 33 05 189 bekannt.

Die erste Lösung mit einem Motor hat den Nachteil verhältnismäßig großer bewegter Massen und arbeitet demnach relativ träge. Die zweite Lösung bringt die erforderlichen Leistungen nicht auf. Die dritte und vierte können keine Rotations-Symmetrie der abgeleiteten Kräfte bezüglich der Bohrlochachse erzeugen.

Insbesondere zur Eruierung von Wasseradern in Wüstengebieten benötigt man nämlich einen sehr hochfrequenten Impuls in der Größenordnung von einem kHz. Sinnvoll soll eine Kraftspitze von der Größenordnung von etwa 30 kN in einer Millisekunde aufgebracht werden können. Die genannten sowie mechanische, pneumatische und hydraulische Geräte sind hierfür nicht geeignet.

Daher besteht die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die in einer sehr rauhen Umgebung, nämlich in einem Bohrloch von etwa 20 cm Durchmesser und 20 m Tiefe, arbeitsfähig, überdies möglichst einfach ist und Scher- oder Kompressionswellen erzeugen kann.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß das Erregerglied wenigstens eine von den elektrischen Stromimpulsen beaufschlagte Primär spule und das Einkopplungsglied wenigstens eine kurzgeschlossene, mit der Primärspule elektromagnetisch in Wechselwirkung tretende Sekundär spule aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen stand der Unteransprüche.

In der Primärspule wird also ein Magnetfeld erzeugt, das gemäß einigen Ausführungsbeispielen die Sekundärspule(n) entsprechend dem ELIHU-THOM SON-Versuch (vgl. Gerthsen, Ch. Physik, Springer-Verlag Berlin- Göttingen-Heidelberg, 1960, S. 265) abstößt. Der zugehörige seismische Impuls wird in einer Richtung senkrecht zur Achse des Bohrloches über die Wände desselben in das feste Medium abgeleitet.

In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung anhand von Ausfüh rungsbeispielen und Figuren erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch die physikalische Wirkungsweise des benutzten Effektes in einer ersten Variante,

Fig. 2 schematisch die physikalische Wirkungsweise des benutzten Effektes in einer zweiten Variante,

Fig. 3a, b, c ein Diagramm der auftretenden Spannungen und Ströme,

Fig. 4 den funktionswesentlichen Teil einer Ausführungsform zur Erzeu gung von zur Bohrlochachse radialen Impulsen für Druckwellen,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Anordnung zur Erzeugung radialer Impul se,

Fig. 6a einen Schnitt durch eine Anordnung zur Erzeugung tangentialer Impulse für Scherwellen,

Fig. 6b einen Schnitt durch eine weitere Anordnung zur Erzeugung tangen tialer Impulse für Scherwellen,

Fig. 7a aufgeschnitten eine Bohrlochverkleidung,

Fig. 7b aufgeschnitten eine Bohrlochverkleidung mit integrierter Sekun därspule,

Fig. 8 einen Schnitt durch eine Bohrlochverkleidung mit integrierter Sekundärspule für tangentiale Impulse.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Primärspule SP und eine Sekundärspule SS, die hintereinander auf einer gedachten Achse O angeordnet sind. Die Sekundärspule SP ist kurzgeschlossen und hat nur eine Wicklung und dem nach die Gestalt eines Ringes. Wird an die Primärspule SP ein hochfre quenter Spannungsimpuls nach Fig. 3a angelegt, dann ergibt sich in die ser Spule SP ein Strom gemäß Fig. 3b. Im Sekundärspulen-Ring SS wird ein Gegenstrom erzeugt, dessen Verlauf in Fig. 3c dargestellt ist. Der Sekundärstrom I _S wird umso größer, je näher die Spulen SP und SS bei einander liegen. Dabei erhält die Sekundärspule aufgrund der bekannten Induktionsgesetze einen Impuls in Richtung des Pfeiles P.

Bei einer konzentrischen Anordnung von Primärspule SP und Sekundärspule SS nach Fig. 2 wird der sekundäre Ring radial in Richtung der Pfeile P gedehnt.

Damit von dieser Kraft möglichst wenig durch elastische Spannung aufge zehrt wird, ist es zweckmäßig, den als Sekundärspule dienenden Ring SR entsprechend Fig. 4 mit einer oder mehreren Dehnfalten D zu versehen. Gemäß Fig. 5 befindet sich also entsprechend dem Schema von Fig. 2 die aus drei Windungen bestehende Primärspule SP konzentrisch und unmittel bar anliegend innerhalb des Sekundärspulen-Ringes SR. Das Innere der Primärspule SP ist mit einem in den Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht schraffierten festen Kern versehen.

Wird die Primärspule SP bestromt, dehnt sich also der Sekundärspu len-Ring SR in Richtung der Pfeile P aus und gibt entsprechende Impulse radial ab. Eine Anordnung, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, liefert bei einem Durchmesser von etwa 20 cm und einer Primärstromspitze von 25 kA etwa 60 kN zwischen Ringaußenfläche und Umgebung.

Eine Anordnung als Scherwellengenerator zeigt Fig. 6a. Hier sind die Spulen SP _i und SS _i entsprechend dem Schema nach Fig. 1 hintereinan der auf einem zur Bohrlochachse (O) konzentrischen Kreis (K) gelagert und bilden eine Art rotierender Impulsmotor. Die Achsen der Spulen sind mit A _i bezeichnet.

In der ersten Phase werden die parallelgeschalteten Spulen SP _i erregt und in den Sekundärspulen SS _i, die hier als Wirbelströme zulassende Bleche ausgebildet sind, aber auch Kurzschlußspulen sein können, ein Ge genstrom induziert. Entsprechend dem Trägheitsmoment des Läufers dreht dieser sich in Richtung von Pfeil A. In der zweiten Phase werden die Spulen SG _i erregt und der Läufer wird angehalten oder bewegt sich teilweise wieder zurück. Auf diese Weise wird auf den Käfig SR ein tan gential zur Bohrlochachse wirksamer Impuls erzeugt, der zur Auslösung von Scherwellen führt.

Gemäß Fig. 6b können die gegensinnig wirkenden Primärspulen SG _i auch durch Anschlagfedern F _i ersetzt werden, deren Steifigkeit so dimen sioniert ist, daß sie den Läufer auf der gleichen Weglänge abbremsen, die die Primärspule SP zum Beschleunigen benötigt.

Da ein Bohrloch eine Radiustoleranz vo bis zu einem cm haben kann, müs sen die Sekundärspulen in einem Körper gelagert werden, der im Bohrloch verkeilt werden kann. Hier ist auf hohe Steifigkeit und kleine Masse zu achten. Um Wirbelstromverluste zu verhindern, wird dieser Körper und auch der Träger der Primärspulen PS zweckmäßig aus nichtleitendem Mate rial hergestellt. Es empfiehlt sich deshalb als Werkstoff feingeblechter Stahl oder Keramik.

Die Verkleidung A der Geräte im Bohrloch kann an sich in einem Standard verfahren durch Verkeilen ausgeführt werden. Gemäß der Erfindung erfolgt nach den Fig. 7 bis 8 jedoch zweckmäßiger eine Verankerung durch Aus gießen des Bohrloches B mit einer harten, möglichst dünnen Betonschicht A, die eine definierte und saubere Fläche für eine Verankerung bietet.

Für den Druckwellengenerator ist eine trichterförmige Gußform mit klei nem Neigungswinkel nach Fig. 7a hinreichend. In einer weiteren Ausbil dung kann gemäß Fig. 7b gleichzeitig der die Sekundärspule bildende Kurzschlußring SR mit eingegossen sein.

Beim Scherwellengenerator ist es zweckmäßig, wenn nach Fig. 8 das Bohr loch B mit senkrechten Rillen aufgerauht wird, um ein gutes tangentiales Haften des Außenzylinders SR zu gewährleisten.

Claims

1. Vorrichtung zum Erzeugen von seismischen Wellen in einem ein Bohrloch umgebenden festen Medium mit Hilfe einer im Bohrloch einge brachten elektromagnetischen Einrichtung, der elektrische Stromimpulse zuführbar sind und die ein Erregerglied und ein damit wechselwirkendes, mit der Bohrlochwandung festverbundenes Einkopplungsglied zur Einspei sung seismischer Impulse in das Medium enthält, dadurch gekenn zeichnet, daß das Erregerglied wenigstens eine von den elektri schen Stromimpulsen beaufschlagte Primärspule (SP) und das Einkopplungs glied wenigstens eine kurzgeschlossene, mit der Primärspule elektroma gnetisch in Wechselwirkung tretende Sekundärspule (SS) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Primärspule (SP, SP _i) konzentrisch bezüglich der Bohrlochachse (O) innerhalb der kurzgeschlossenen Sekundärspule (SS, SS _i) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die Primärspule (SP, SP _i) wenigstens zwei Windungen aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Sekundärspule (SS, SS _i) als Ring ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß die Sekundärspule (SS, SS _i) wenigstens eine Dehnfalte (D) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen (AS) von wenig stens zwei gemeinsam zu bestromenden Primärspulen (SP _i) und wenigstens zwei kurzgeschlossenen Sekundärspulen (SS _i) tangential auf einem zur Bohrlochachse (O) konzentrischen Kreis (K) liegen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß die Sekundärspulen durch von Wirbelströmen durchfließbare, leitende Bleche gebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß auf dem Kreis (K) symmetrisch zur Sekundärspule (SS _i) jeweils eine weitere gegensinnig zur ersten auf die Sekundärspule wirkende Primärspule (SG _i) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß auf dem Kreis (K) symmetrisch zur Sekundärspule (SP _i) jeweils eine gegensinnig zur Primärspule auf die Sekundärspule wirkende Feder (F _i) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspulen (SS) in die Bohrlochauskleidung (A) eingegossen bzw. eingepreßt sind.